南四湖湖西地区省际边界河道水文计算方法研究

2017-01-11杨晨霞车金玲黄金军

水利规划与设计 2016年8期

关键词：湖西南四湖汇流

陈栋，杨晨霞，车金玲，黄金军

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127; 2.常州市水利规划设计院，江苏常州 213001)

南四湖湖西地区省际边界河道水文计算方法研究

陈栋1，杨晨霞1，车金玲1，黄金军2

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127; 2.常州市水利规划设计院，江苏常州 213001)

水文计算对区域的水利工程规划与建设、水安全和有效减免洪涝灾害经济损失有着重要意义。本文根据南四湖湖西地区的洪涝成因，以省际边界河道为实例，分析研究了由设计暴雨推求设计洪水的方法，探讨了不同水文计算方法在该地区的适用性。

水文计算;防洪除涝;排水模数;南四湖

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.018

1 基本情况

江苏省南四湖湖西地区地处苏、鲁、皖三省交界，位于南四湖、废黄河之间，包括丰县、沛县全部及铜山西部的废黄河以北地区，区域总面积3046km2。历史上黄河夺淮穿过该区，多次决溢、泥沙淤积，地势西南高东北低，地面高程由50.0m逐渐降至32.5m。每遇暴雨，积水顺坡而下、汇入南四湖，又因南四湖湖水顶托，涝灾频繁。受灾原因主要是由于南四湖高水持续时间长、区域涝水无法及时排出，因洪致涝现象严重;骨干河道标准偏低，常年淤积，排水不畅，省际边界河道问题尤为突出;低洼圩区抽排动力不足。

湖西地区排水以大沙河为界，大沙河以西由复新河、姚楼河等水系排水入湖;大沙河以东由徐沛河、苏北堤河、顺堤河将该地区分为三级排水。湖西地区有省际边界河道18条，主要包括复新河、大沙河、姚楼河、太行堤河、苏北堤河等。

2 水文计算方法

本地区的实测流量资料较少，同时，由于人类活动的影响使径流形成的条件发生了显著地改变，破坏了流量资料系列的一致性。因此，湖西地区水文计算采用由设计暴雨通过产、汇流计算的方法推求设计洪水。

设计暴雨采用当地实测雨量资料计算。产流计算为净雨量的计算，根据湖西地区不同的下垫面类型，采用相应的方法计算。汇流计算选取姚楼河、西支河、太行堤河、复新河四条典型省际边界河道，分别采用排模公式法、瞬时单位线法和总入流槽蓄法计算河道的5年和20年一遇设计排涝流量及地区的排水模数。

3 水文计算

3.1 设计暴雨

湖西地区属温带季风大陆性气候，暴雨是造成本区域洪水的主要因素，造成暴雨的主要天气系统为黄淮气旋暴雨、台风暴雨、南北切变暴雨以及暖切变暴雨。

湖西地区为平原坡水区，地势平缓，河道比降较小，坡地汇流和河槽汇流速度慢，洪水历时较长。根据区域洪涝灾害分析及现行的水文计算方法，造成区域洪涝灾害的降雨控制时段一般为三日暴雨。

根据该区雨量站点分布情况，选取宋楼、丰县、张埝、赵庄、城子庙、五段、沛城、蔺家坝站8个雨量站，采用算术平均法计算区域面平均雨量，雨量资料系列统计年为1960～2013年。分析最大三日暴雨系列，采用P-Ⅲ型曲线适线对参数进行优选，确定设计暴雨成果，5年和20年一遇最大三日暴雨为142.5mm和216.3mm。

3.2 产流计算

根据湖西地区的下垫面分布情况，计算不同下垫面的设计净雨量。分别为。

一般区域或旱地设计净雨，根据《江苏省暴雨洪水图集》(1984年)，采用次降雨径流相关法计算;水田和沟塘水面设计净雨，根据《灌溉与排水设计规范》，采用扣损法计算;城区设计净雨，根据《室外排水设计规范》(2014年版)，采用径流系数法计算，根据城区建筑密集程度综合确定径流系数。

按照各下垫面的分布面积加权得流域净雨量，湖西地区5年和20年一遇的最大三日设计净雨量分别为68.9mm和145.1mm。设计净雨时程分配按《江苏省暴雨洪水图集》(1984年)中6h时段净雨雨型过程。

3.3 汇流计算

3.3.1 排模公式法

目前，湖西地区采用中央“关于五省一市平原边界地区水利规划水文对口意见”(1962年)中建议的经验排模公式法进行汇流计算。其中，排水模数取值采用湖西万福河以南地区水文对口成果(中央淮办1972年会同苏鲁皖三省确定的水文对口成果)。排水模数计算公式为:

式中:M为设计排水模数(m3/s/km2)，计算成果见表1;R为三天设计暴雨产生的净雨量(mm);F为流域面积(km2);K为反映降雨历时、流域形状等因素的综合系数，取0.031;m为反映洪峰与洪量关系的峰量指数，取1.0;n为反映排涝模数与面积关系的递减指数，取-0.25。

表1 万福河以南地区自排模数成果单位:m3/s/km2

3.3.2 瞬时单位线法

瞬时单位线指在无穷小历时的瞬间，在流域上分布均匀的单位净雨所形成的流域出流过程线，以数学方程u(0，t)表示。式中:Γ为伽玛函数;n为相当于水库个数或调节次数的参数;K为水库滞时，相当于流域汇流时间的参数。

为易于使用，将n、K转化为m1、m2，m1= nK，m2=1/n。参数m1、m2可由实测资料用数学方法优选，可采用区域综合值，如苏北平原区: m1=2.25F0.38，m2=1/2。

根据瞬时单位线参数 m1、m2，查《江苏省暴雨洪水图集》(1984年)中6h单位线，将瞬时单位线转化成时段单位线，利用线性系统的假定，采用卷积公式计算可求得设计流量过程。

3.3.3 总入流槽蓄法

总入流槽蓄法是将净雨入流过程作为输入过程，再经河网槽蓄形成出口断面的流量过程。依据水量平衡方程和线性槽蓄方程，经过适当概化和数学演算，推求出流域汇流过程线。

式中:q为河道入流流量(m3/s);Q为河道出流流量(m3/s);Δt为时段(s);K为河道槽蓄参数(s-1);S为河道槽蓄量(m3);ΔS为河道槽蓄量的变化量(m3)。

根据流域汇流参数，查《江苏省暴雨洪水图集》(1984年)中苏北平原区三日净雨100mm排水模数过程表推求设计流量过程。

3.4 计算结果及分析

根据上述3种计算方法，分别计算河道5年、10年和20年一遇的设计排涝流量及地区的排水模数，同时根据湖西地区的现状，计算了瞬时单位线法和总入流槽蓄法按照24h平头流量削峰的计算成果，5年、10年和20年一遇计算成果见表2和图1-图3。

计算结果表明。(1)排模公式法计算结果与不削峰的瞬时单位线法和总入流槽蓄法计算结果总体相近。面积小于 100km2地区，排模公式法偏小15%;面积大于100km2地区，排模公式法与另两种方法计算结果相差较小，均在8%之内。主要因为排模公式适用范围是面积大于100km2，当计算面积小于100km2时采用100km2的排模，会造成结果偏小。根据一般规律，地区排模随着流域面积减小而增大，若面积越小，这种差别会越大。(2)瞬时单位线法和总入流槽蓄法计算结果基本一致。不削峰的瞬时单位线法计算结果略小于总入流槽蓄法，最大相差8%;削峰的结果略大，最大相差7%。主要因为两种方法取用相同的设计净雨，但汇流计算和削峰系数取值不同。从计算过程看，瞬时单位线法略为繁琐。

表2 不同方法计算的设计成果

图1 不同方法计算的设计排水模数比较图(5年一遇)

图2 不同方法计算的设计排水模数比较图(10年一遇)

图3 不同方法计算的设计排水模数比较图(20年一遇)

(3)不削峰比削峰的排水模数大16～65%，计算区域面积越小，偏差越大。经验认为一般旱作物耐淹1天，水田作物可耐淹3天。从既能保证农作物不因涝受明显损失、河道排水规模又较经济合理的角度出发，农区比重较大的河道自排流量计算常考虑地表短期滞水，削峰处理。采用排模公式法计算时，常根据设计标准取用相应的折减系数，类似于削峰处理。